JP2002098846A - Photonic crystal and method for manufacturing the same - Google Patents
Photonic crystal and method for manufacturing the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ホトニック結晶に
関する。The present invention relates to a photonic crystal.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体単結晶は、特定の原子が周期的且
つ規則的に配列してなる物質である。その電子伝搬特性
は、半導体結晶中の原子間隔によって決定される。すな
わち、半導体はエネルギーバンドギャップを有してお
り、このエネルギーバンドギャップは、電子の波動性及
び原子の周期ポテンシャルに起因して決定される。2. Description of the Related Art A semiconductor single crystal is a substance in which specific atoms are periodically and regularly arranged. Its electron propagation characteristics are determined by the atomic spacing in the semiconductor crystal. That is, a semiconductor has an energy band gap, and this energy band gap is determined by the wave nature of electrons and the periodic potential of atoms.
【０００３】一方、ホトニック結晶は、光に対してポテ
ンシャル差を有する物質、すなわち屈折率差を有する物
質を光の波長程度の周期で配列してなる３次元構造体で
ある。このようなホトニック結晶なる物質は、ヤブラノ
ビッチ（Yablonovich）氏等によって提案されてきた。On the other hand, a photonic crystal is a three-dimensional structure in which substances having a potential difference with respect to light, that is, substances having a refractive index difference, are arranged at a period about the wavelength of light. Such a photonic crystal material has been proposed by Yablonovich et al.
【０００４】ホトニック結晶内においては、光の波動性
の拘束条件によって光伝搬特性が制限されている。すな
わち、ホトニック結晶中における光の伝搬は、半導体中
の電子の伝搬と同様に制限を受ける。ホトニック結晶中
においては、光に対する禁止帯、所謂ホトニックバンド
ギャップが存在し、このバンドギャップの存在によっ
て、特定の波長帯域の光は結晶内を伝搬できなくなる。[0004] In a photonic crystal, the light propagation characteristics are limited by the constraint on the wave nature of light. That is, the propagation of light in the photonic crystal is restricted as in the propagation of electrons in the semiconductor. In a photonic crystal, there is a forbidden band for light, a so-called photonic band gap. Due to the existence of this band gap, light in a specific wavelength band cannot propagate through the crystal.
【０００５】従来、様々なホトニック結晶が提案されて
いる。例えば、サブミクロンサイズの粒子を光の波長程
度の周期で配列してなるものがある。マイクロ波帯であ
れば、粒子としてのポリマー球を空間中に配列するもの
が知られている。Conventionally, various photonic crystals have been proposed. For example, there is a type in which particles of submicron size are arranged at a cycle of about the wavelength of light. In the case of a microwave band, a type in which polymer spheres as particles are arranged in space is known.
【０００６】この他、ポリマー球を金属内で固化させた
後で化学的にポリマー球を溶解することにより周期的微
小空間を金属中に形成するもの、金属中に等間隔で穴を
穿設するもの、固体材料中にレーザを用いて屈折率が周
囲と異なる領域を形成するもの、光重合性ポリマーをリ
ソグラフィ技術を用いて溝状に加工したもの等がある。
これらの加工によって形成されたホトニック結晶は、そ
の構造によって一意的に決定されるホトニックバンドギ
ャップを有することとなる。In addition, a method in which a polymer microsphere is solidified in a metal and then the polymer sphere is chemically dissolved to form a periodic minute space in the metal, and holes are formed in the metal at regular intervals. And a solid material in which a region having a different refractive index from the surroundings is formed using a laser, and a photopolymerizable polymer processed into a groove shape using a lithography technique.
The photonic crystal formed by these processes has a photonic band gap uniquely determined by its structure.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ホトニック結晶は可塑性が低く、そのホトニックバンド
ギャップを変化させることができない。本発明は、この
ような課題に鑑みてなされたものであり、外力によって
変形することによりホトニックバンドギャップが変化可
能なホトニック結晶及びその製造方法を提供することを
目的とする。However, the above-mentioned photonic crystal has low plasticity and cannot change its photonic band gap. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a photonic crystal in which a photonic band gap can be changed by being deformed by an external force, and a method for manufacturing the same.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係るホトニック結晶は、ゲル状の物質内
に、複数の気泡が規則的に混入してなることを特徴とす
る。この場合、ゲルは外力によって変形するため、その
ホトニックバンドギャップを容易に可変することがで
き、また、気泡の混入は比較的容易であるため、その製
造が簡便となる。In order to solve the above-mentioned problems, a photonic crystal according to the present invention is characterized in that a plurality of bubbles are regularly mixed in a gel-like substance. In this case, since the gel is deformed by an external force, the photonic band gap can be easily changed, and the mixing of air bubbles is relatively easy, so that the production is simplified.
【０００９】本発明に係るホトニック結晶の製造方法
は、二次元状に配列した複数の孔を有するファイバオプ
ティカルプレート（FOP）を介してゾル状の物質内に気
体を混入し、ゾル状の物質をゲル化することにより、上
記ホトニック結晶を形成することを特徴とする。In the method for producing a photonic crystal according to the present invention, a gas is mixed into a sol-like substance through a fiber optical plate (FOP) having a plurality of holes arranged two-dimensionally, and the sol-like substance is converted into a gas. The photonic crystal is formed by gelation.
【００１０】また、本発明に係るホトニック結晶の製造
方法は、１又は複数のノズルを介してゾル状の物質内に
気体を混入し、前記ゾル状の物質をゲル化することによ
り、上記ホトニック結晶を形成することを特徴とする。[0010] In the method for producing a photonic crystal according to the present invention, a gas is mixed into a sol-like substance through one or a plurality of nozzles, and the sol-like substance is gelled. Is formed.
【００１１】上述の製造方法によれば、ホトニックバン
ドギャップが可変なホトニック結晶を容易及び／又は高
速に製造することができる。According to the above-described manufacturing method, a photonic crystal having a variable photonic band gap can be easily and / or rapidly manufactured.
【００１２】また、これらの方法は、FOPの孔やノズル
の開口が予め並んだ状態で用いるので、物質の加工性が
高く、また、ホトリソグラフィ技術等を用いた方法と比
較して加工時間を短縮させることができる。更に、ゾル
やゲルの価格は、貴金属等と比較して低価格であるの
で、製造コストを低減させることができる。更に、気泡
の形成位置は、FOPの孔やノズルの開口位置を調整する
ことにより、任意の位置に設定することができるので、
その距離を制御し、形成時のホトニックバンドギャップ
を制御することができる。In addition, since these methods are used in a state in which the holes of the FOP and the openings of the nozzles are arranged in advance, the workability of the material is high, and the processing time is shorter than the method using the photolithography technology or the like. Can be shortened. Further, the cost of sols and gels is lower than that of precious metals and the like, so that manufacturing costs can be reduced. Furthermore, the position of the bubble formation can be set to an arbitrary position by adjusting the opening position of the hole or the nozzle of the FOP.
By controlling the distance, the photonic band gap at the time of formation can be controlled.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係るホトニッ
ク結晶及びその製造方法について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A photonic crystal according to an embodiment and a method for manufacturing the same will be described below.
【００１４】図１は実施の形態に係るホトニック結晶１
０を説明するための斜視図である。このホトニック結晶
１０は、ゲル状の物質１内に、複数の気泡２が規則的に
混入してなる。ホトニック結晶１０に波長帯域Δλ（λ
1を含む）の光を入射すると、ホトニックバンドギャッ
プに応じて、特定の波長帯域λ1の成分のみがホトニッ
ク結晶１０を透過する。ゲルは外力Ｆによって変形する
ため、ホトニック結晶１０のホトニックバンドギャップ
が容易に変化する。この変化によって、ホトニック結晶
１０を通過する上記波長帯域λ1が変化する。この気泡
２の混入は比較的容易であるため、その製造が簡便とな
る。FIG. 1 shows a photonic crystal 1 according to an embodiment.
FIG. 4 is a perspective view for explaining the first embodiment. In the photonic crystal 10, a plurality of bubbles 2 are regularly mixed in a gel substance 1. The wavelength band Δλ (λ
(Including 1 ), only the component of the specific wavelength band λ 1 passes through the photonic crystal 10 according to the photonic band gap. Since the gel is deformed by the external force F, the photonic band gap of the photonic crystal 10 changes easily. Due to this change, the wavelength band λ 1 passing through the photonic crystal 10 changes. Since the mixing of the bubbles 2 is relatively easy, the production is simplified.
【００１５】図２は実施の形態に係るホトニック結晶１
０の製造方法を説明するための製造装置の斜視図であ
る。ホトニック結晶１０は、二次元状に配列した複数の
孔Ｈを有するファイバオプティカルプレート（FOP）３
を介してゾル状の物質１内に気体を混入し、この気体に
よって気泡２を形成し、ゾル状の物質１をゲル化するこ
とにより形成される。FIG. 2 shows a photonic crystal 1 according to the embodiment.
FIG. 7 is a perspective view of a manufacturing apparatus for explaining a manufacturing method of No. 0. The photonic crystal 10 has a fiber optical plate (FOP) 3 having a plurality of holes H arranged two-dimensionally.
Is formed by mixing a gas into the sol-like substance 1 through the above, forming a bubble 2 with the gas, and gelling the sol-like substance 1.
【００１６】詳説すれば、プラスチック製の容器４内に
はＦＯＰ３、このＦＯＰ３の孔Ｈ内に気体を送り込むた
めの気体通路５が配置されており、これらは移動機構６
によって上下方向Ｚに移動可能である。この容器４内に
ゾル状の物質１を入れ、気体通路５内に圧縮空気を上記
気体としてパルス的に送り込むと、すなわち、所定期間
の間、圧縮空気を導入した後これを停止すると、複数の
孔Ｈに対応して複数の気泡２がゾル状の物質１内に形成
され、第１層目の気泡層が形成される。More specifically, an FOP 3 and a gas passage 5 for feeding gas into a hole H of the FOP 3 are arranged in a plastic container 4.
Can move in the vertical direction Z. When the sol-like substance 1 is put into the container 4 and the compressed air is pulsed into the gas passage 5 as the gas, that is, when the compressed air is introduced for a predetermined period and then stopped, a plurality of A plurality of bubbles 2 are formed in the sol-like substance 1 corresponding to the holes H, and a first bubble layer is formed.
【００１７】第１層目の気泡層を形成した後、移動機構
６によってＦＯＰ３を下方に移動させ、気体通路５内に
圧縮空気を上記気体としてパルス的に送り込むと、上記
と同様に第２層目の気泡層が形成され、以後、第Ｎ層目
の気泡層まで、同様の工程を繰り返す。After the first bubble layer is formed, the FOP 3 is moved downward by the moving mechanism 6 and the compressed air is pulsed into the gas passage 5 as the above gas. The same process is repeated until the bubble layer of the eye is formed and thereafter the bubble layer of the Nth layer.
【００１８】ここで、六面体の容器４内は、ゾル状の物
質１で満たされており、全ての面に物質１が接触してい
るものとする。この場合、気体の混入によって、容器４
内の物質１の容積が気泡の体積分だけ増加する。この増
加分は、物質排出用通路７を介して容器４の外部へと排
出される。物質排出用通路７の途中に、これを通過する
物質の圧力が一定となるような制御弁を設けておけば、
上記増加分だけ物質１が外部へと排出されることで、各
気泡層の形成を同様の圧力条件下で行うことができる。Here, it is assumed that the interior of the hexahedron container 4 is filled with the sol-like substance 1, and the substance 1 is in contact with all surfaces. In this case, the container 4
The volume of substance 1 inside increases by the volume of the bubbles. This increase is discharged to the outside of the container 4 via the substance discharge passage 7. If a control valve is provided in the middle of the substance discharge passage 7 so that the pressure of the substance passing therethrough is constant,
By discharging the substance 1 to the outside by the increase, each bubble layer can be formed under the same pressure condition.
【００１９】気泡層の形成後、物質１をゲル化すること
で、ホトニック結晶１０が完成する。ホトニック結晶１
０の光学特性は、母材としての物質１と気泡２の屈折率
差に依存するので、物質１としてはゲル化し易く、ゲル
化した際の屈折率が大きな材料を用いることが重要であ
る。After the formation of the bubble layer, the substance 1 is gelled, whereby the photonic crystal 10 is completed. Photonic crystal 1
Since the optical characteristic of 0 depends on the difference in the refractive index between the substance 1 as the base material and the bubbles 2, it is important to use a material that easily gels and has a large refractive index when gelled.
【００２０】例えば、ゾルの材料として、紫外線硬化樹
脂を混ぜたものを用い、ゲル化は、これに紫外線を照射
することにより行うことができる。代表的な紫外線硬化
樹脂は、アクリルアミドに架橋剤及び光重合開始剤を混
ぜたものであり、従来から多くのものが知られている。For example, as a material of the sol, a material obtained by mixing an ultraviolet curable resin is used, and the gelation can be performed by irradiating the mixture with ultraviolet light. A typical UV-curable resin is a mixture of acrylamide with a crosslinking agent and a photopolymerization initiator, and many of them are conventionally known.
【００２１】また、上述のホトニック結晶１０は、ゾル
状の物質１内に、ＦＯＰ３に代えて、１又は複数のノズ
ル（図示せず）を介して気体を混入し、ゾル状の物質１
をゲル化することにより形成することとしてもよい。こ
のノズルとしては、インクジェットプリンタに用いられ
るものと同一の機構、すなわち、マイクロエレクトロメ
カニックシステム（ＭＥＭＳ）を用いることができる。In the photonic crystal 10 described above, a gas is mixed into the sol-like substance 1 through one or a plurality of nozzles (not shown) instead of the FOP 3,
May be formed by gelling. As this nozzle, the same mechanism as that used for the ink jet printer, that is, a micro electro mechanical system (MEMS) can be used.
【００２２】インクジェットプリンタに用いられるイン
ク吹出機構には、マッハジェット方式、バブルジェット
（登録商標）方式、サーマルインクジェット方式があ
り、マッハジェット方式は圧電素子によって、バブルジ
ェット方式及びサーマルインクジェット方式はインクに
熱を加えて生じる気泡によって、インクを射出してい
る。すなわち、インクの代わりに、上記気体をノズルか
ら射出する。マッハジェット方式の場合は空気を直接射
出し、バブルジェット方式及びサーマルインクジェット
方式は、無色のインクに熱を加えて生じる気泡を射出す
る。ここで、気泡は、ゲル物質との間の屈折率差を形成
するためのものなので、インクは適当な屈折率が得られ
れば、有色であってもよい。The ink jetting mechanism used in the ink jet printer includes a Mach jet system, a bubble jet (registered trademark) system, and a thermal ink jet system. The Mach jet system uses a piezoelectric element, and the bubble jet system and the thermal ink jet system use ink. The ink is ejected by bubbles generated by applying heat. That is, the gas is ejected from the nozzle instead of the ink. In the case of the Mach jet method, air is directly injected, and in the case of the bubble jet method and the thermal ink jet method, air bubbles are generated by applying heat to colorless ink. Here, since the bubbles are used to form a difference in refractive index between the ink and the gel substance, the ink may be colored as long as an appropriate refractive index is obtained.
【００２３】上述のホトニック結晶１０の製造方法によ
れば、ホトニックバンドギャップが可変なホトニック結
晶を容易及び／又は高速に製造することができる。According to the method for manufacturing the photonic crystal 10 described above, a photonic crystal having a variable photonic band gap can be easily and / or rapidly manufactured.
【００２４】また、これらの方法は、FOP３の孔やノズ
ル（図示せず）の開口が予め並んでいる状態に用いるも
のなので、物質１の加工性が高く、また、ホトリソグラ
フィ技術等を用いた方法と比較して加工時間を短縮させ
ることができる。更に、ゾルやゲルの価格は、貴金属等
と比較して低価格であるので、製造コストを低減させる
ことができる。更に、気泡２の形成位置は、FOP３の孔
やノズル（図示せず）の開口位置を調整することによ
り、任意の位置に設定することができるので、その距離
を制御し、形成時のホトニックバンドギャップを制御す
ることができる。Further, since these methods are used in a state in which the holes of the FOP 3 and the openings of the nozzles (not shown) are arranged in advance, the workability of the substance 1 is high, and the photolithography technique or the like is used. Processing time can be reduced as compared with the method. Further, the cost of sols and gels is lower than that of precious metals and the like, so that manufacturing costs can be reduced. Further, the formation position of the bubble 2 can be set to an arbitrary position by adjusting the opening position of the hole of the FOP 3 and the opening of the nozzle (not shown). The band gap can be controlled.
【００２５】また、ファブリペロー干渉計や多層膜鏡
（ダイクロイックミラー）も、０次元或いは１次元のホ
トニック結晶であるので、上述のホトニック結晶１０
は、このような用途にも応用できる。また、上述のよう
な柔らかいホトニック結晶１０は、今後、その気泡の大
きさや配列の安定性、その制御性を向上させるための機
械的精度、ゲルの長期安定性、温度安定性、光ファイバ
や他の光学部品との接続方法、ゲル封入容器、毎回同様
の外力Ｆを印加できる外力印加機構等について研究が進
められるものと期待される。The Fabry-Perot interferometer and the multilayer mirror (dichroic mirror) are also zero-dimensional or one-dimensional photonic crystals.
Can be applied to such applications. In addition, the soft photonic crystal 10 as described above will be used in the future to improve the stability of the size and arrangement of the bubbles, mechanical accuracy for improving the controllability, long-term stability of the gel, temperature stability, optical fiber and other It is expected that research on the connection method with the optical components described above, the gel-enclosed container, the external force applying mechanism capable of applying the same external force F every time, etc. will be advanced.
【００２６】以上、説明したように、従来のホトニック
バンドギャップは、通常、サブミクロンサイズの粒子を
光の波長程度の周期で配列してなるが、上記実施形態で
は、ゲル状の物質１内に、複数の気泡２を光の波長程度
の周期で規則的に混入してなり、ゲルは外力Ｆによって
容易に変形するので、ホトニックバンドギャップ、すな
わち、透過光波長帯域を容易に可変することができる。As described above, the conventional photonic band gap is generally formed by arranging submicron-sized particles at a period of about the wavelength of light. In addition, since a plurality of bubbles 2 are regularly mixed at a cycle of about the wavelength of light, and the gel is easily deformed by an external force F, the photonic band gap, that is, the wavelength band of transmitted light can be easily varied. Can be.
【００２７】[0027]
【発明の効果】本発明のホトニック結晶によれば、外力
によってホトニック結晶が変形することによりホトニッ
クバンドギャップを変化させることができ、また、その
製造方法は簡易である。According to the photonic crystal of the present invention, the photonic crystal can be deformed by an external force to change the photonic band gap, and the manufacturing method is simple.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】実施の形態に係るホトニック結晶１０を説明す
るための斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a photonic crystal 10 according to an embodiment.
【図２】実施の形態に係るホトニック結晶１０の製造方
法を説明するための製造装置の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a manufacturing apparatus for describing a method of manufacturing the photonic crystal 10 according to the embodiment.
１…物質、２…気泡、３…ＦＯＰ、４…容器、５…気体
通路、６…移動機構、７…物質排出用通路、１０…ホト
ニック結晶、Ｆ…外力、Ｈ…孔。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substance, 2 ... Bubbles, 3 ... FOP, 4 ... Container, 5 ... Gas passage, 6 ... Moving mechanism, 7 ... Material discharge passage, 10 ... Photonic crystal, F ... External force, H ... Hole.
Claims (3)
に混入してなることを特徴とするホトニック結晶。1. A photonic crystal characterized in that a plurality of bubbles are regularly mixed in a gel-like substance.
ァイバオプティカルプレートを介してゾル状の物質内に
気体を混入し、前記ゾル状の物質をゲル化することによ
り、請求項１に記載のホトニック結晶を形成することを
特徴とするホトニック結晶の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein a gas is mixed into the sol-like substance through a fiber optical plate having a plurality of holes arranged two-dimensionally, and the sol-like substance is gelled. A method for producing a photonic crystal, comprising forming a photonic crystal according to (1).
質内に気体を混入し、前記ゾル状の物質をゲル化するこ
とにより、請求項１に記載のホトニック結晶を形成する
ことを特徴とするホトニック結晶の製造方法。3. The photonic crystal according to claim 1, wherein a gas is mixed into the sol-like substance through one or a plurality of nozzles and the sol-like substance is gelled. A method for producing a photonic crystal.
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|---|---|---|---|
| JP2000292700A JP4271838B2 (en) | 2000-09-26 | 2000-09-26 | Photonic crystal and method for producing the same |
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| JP4271838B2 JP4271838B2 (en) | 2009-06-03 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7158709B2 (en) | 2003-09-30 | 2007-01-02 | Ricoh Company, Ltd. | Three-dimensional periodic structure and fabrication method thereof |
| JP2011528808A (en) * | 2008-07-23 | 2011-11-24 | オパラックス インコーポレーテッド | Tunable photonic crystal composition |
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2000
- 2000-09-26 JP JP2000292700A patent/JP4271838B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US7158709B2 (en) | 2003-09-30 | 2007-01-02 | Ricoh Company, Ltd. | Three-dimensional periodic structure and fabrication method thereof |
| JP2011528808A (en) * | 2008-07-23 | 2011-11-24 | オパラックス インコーポレーテッド | Tunable photonic crystal composition |
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